在20世紀30年代被發明至今,氣凝膠已經創下了15項目“吉尼斯世界記錄、”憑借極輕、隔熱、最低介電常數等硬實力被譽為“改變世界的十大神奇材料”之一。氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成納米多孔網絡結構, 并在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散固態材料。氣凝膠是世界上最輕的固體,也稱為“固體煙”。在三十年代初斯坦福大學Samuel S.Kistler就已經通過水解水玻璃的方法制得了SiO2氣凝膠。
根據氣凝膠的骨架組成物質將其分為三類:無機氣凝膠,主要類型有硅氣凝膠和金屬氧化物氣凝膠;有機氣凝膠,該類型使用的前軀體多為間苯二酚-甲醛;碳氣凝膠,在惰性氣氛和高溫的條件下,碳化有機氣凝膠只保留碳骨架結構。氣凝膠復合材料簡單易懂來說是氣凝膠+復合結構材料通過工藝變成氣凝膠復合材料。
1.2 氣凝膠的特點
(1) 驚人的表面積(2)高的比強度(3)具有極低的導熱系數(4)孔隙率高
二氧化硅氣凝膠是迄今為止保溫性能最好的材料。熱的傳遞有三種方式:熱對流、熱傳導、熱輻射。最好的保溫絕熱材料需要是木桶型的。盡管空氣的熱導率很低,但是我們能在一定距離內感受到空調、火爐的溫度,是因為空氣熱傳導和熱輻射的存在。而氣凝膠憑借極低的體積密度及納米網格結構的彎曲路徑阻止了氣態和固態熱傳導的同時,由于其孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程,氣凝膠空隙中的空氣分子近似靜止,從而空氣的對流傳熱得到限制,趨于“無窮多”的空隙壁使熱輻射降至最低。氣凝膠完美對抗了三種熱的傳遞方式,導熱系數甚至達到 0.013W/m.K 以下,比常溫下靜態空氣 0.025 W/m.K 還低,因此是迄今為止最完美的隔熱材料。
1.1 “無窮長路徑”效應
幾乎無窮多的納米孔讓熱流在固體中傳遞時只能沿著氣孔壁傳遞,近于無窮多的氣孔壁構成了近于“無窮長路徑”效應,使得固體熱傳導的能力下降到接近最低極限。
1.2 “零對流”效應
當氣凝膠材料中的氣孔直徑小于 70nm 時,氣孔內的空氣分子就失去了自由流動的能力,相對地附著在氣孔壁上,這時材料處于近似真空狀態。
1.3 “無窮多遮熱板”效應
材料內部氣孔壁數日趨于“無窮多”,對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用,從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。另外在 400℃以上使用時,需要加入遮光劑來增強氣凝膠對高溫紅外線輻射的抵抗。
氣凝膠性質優異,應用已經遍布于石化、軍工、航天、電池、環保、建筑、交通等各個領域。氣凝膠對這些領域中的原始材料有明顯優勢,因此替代空間巨大。
1.1石化領域
在石化領域,氣凝膠憑借極佳的隔熱保溫性能可以作為外保溫材料,如蒸餾塔、反應管道、儲罐、泵、閥門、天然氣和 LNG 液化氣管道、深海管道等等。在高溫蒸汽、導熱油或流體介質管線外包裹氣凝膠,一方面減少了管道暴露損失熱量,另一方面這些區域往往受到重量、空間的限制,需要保溫材料輕量又輕薄,氣凝膠是唯一完美契合的材料。同時,在海上漏油事故處理中,氣凝膠質量輕、吸附能力極強,也得到認可。
1.2 環保領域
在環保領域,纖維素氣凝膠可作為吸附劑從水中吸附油和其他有毒有機物,被廣泛地應用于吸附脫除染料廢水。此外,生物質碳氣凝膠可以去除水中的多種重金屬離子。
1.3 建筑領域
在建筑領域,房屋門窗、墻壁的隔熱保溫正越來越被重視。現有的保溫材料或隔熱能力不夠理想,或達到理想效果厚度太厚、太重,也有一些隔熱能力較好的材料但阻燃能力不佳,容易引發房屋火災。而氣凝膠既可以作為現有保溫材料的升級替代,同時兼顧防火、隔聲等功能,有望顛覆建筑保溫材料現有格局。
1.4軍工領域
在軍工領域,氣凝膠的性能得到了充分驗證。在軍車上覆蓋 6 毫米的防彈型氣凝膠就能夠承受炸藥帶來的破壞力。東風-17 以氣凝膠隔熱材料作為外衣,使得東風-17 在極快加速度的同時不被空氣摩擦所產生的高溫給破壞,而且氣凝膠材料良好的透波性能不會阻擋東風-17 內部的制導裝置。另外,氣凝膠可以作為飛機、艦船/艇、坦克、導彈等的外層材料,起到防輻射、吸收紅外線和漫反射波實現隱形功能,屏蔽自身電子信號實現反偵察的功能。在水下探測中氣凝膠的低聲速和高孔隙超輕質特性使之成為比較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料和最佳水聲反聲材料。當然,氣凝膠也用于軍用保溫帳篷等領域。
1.5航空航天領域
在航天領域,對材料的絕熱、輕量、抗壓能力要求最為嚴苛。俄羅斯“和平”號空間站、美國“火星探路者”探測器和“火星漫步者”探測車、我國“長征五號”運載火箭和“祝融號”火星車都曾使用氣凝膠材料進行絕熱保溫材料,“星辰號”飛船用來收集彗星塵也使用了氣凝膠做的采集“手套”。
在電池領域,目前鋰離子動力電池組熱失控事故時有發生,阻止熱失控電芯向電池其他系統傳熱是主要解決思路。氣凝膠氈具有防火、隔熱、阻燃的特性,而且質感柔軟、易于加工,是非常理想的預防材料;另外在熱電池應用領域,氣凝膠作為熱電池保溫筒的隔熱材料能夠解決多領域對熱電池的高性能、長壽命的要求。目前新開發的氣凝膠玻纖氈能夠將電池包高溫耐受能力提高至 800℃以上,大大提高電池的耐熱性。
四、行業分析
1.1 氣凝膠供需兩旺,處于高速成長期
1.2 政策支持,下游空間廣闊
1.3國內企業積極擴產,一體化布局更具優勢

